Estudo preliminar da deposição de carbono por DOMS

Abstract

O desenvolvimento deste trabalho surgiu como preparação para o projeto que será desenvolvido no centro de engenharia mecânica da universidade de Coimbra (CEMUC) e que consiste na produção de revestimentos em DLC (Diamond like Carbon), para segmentos de pistões de motores de combustão interna de alta compressão, através de HiPIMS (High power impulse magnetron sputtering) em modo DOMS (Deep oscilation magnetron sputtering). Com este trabalho pretende-se estudar a influência de certos parâmetros de deposição nas amostras depositadas de forma a delinear um plano a seguir no desenrolar do projeto. A variação de espessura nos revestimentos mostrou que este parâmetro tem uma grande influência na microestrutura dos mesmos. O aumento da espessura provoca uma diminuição da densidade e um consequente aumento da rugosidade dos revestimentos, sendo a rugosidade mínima obtida neste trabalho de 1,07nm para uma espessura de cerca de 340nm. Relativo à dureza dos revestimentos conclui-se que existe um valor ótimo de espessura para o qual a dureza atinge um valor máximo, que neste trabalho foi de 23GPa para uma espessura de cerca de 650nm. A utilização de uma polarização do substrato de – 50 V resultou numa melhoria apreciável das propriedades mecânicas dos filmes e uma diminuição significativa da sua rugosidade superficial. No entanto, a utilização de uma maior polarização do substrato resultou em todos os casos no descolamento dos filmes devido a uma adesão insuficiente. As propriedades mecânicas dos filmes depositados com polarização do substrato sugerem que a descarga DOMS gera um maior número de iões de carbono do que seria de esperar para uma descarga HiPIMS. Este resultado pode estar relacionado com a maior tensão de deposição em DOMS ou com a geração de iões de C durante os micro-arcos que se desenvolvem na superfície do alvo durante as deposições. As alterações causadas pela variação do valor de carga da fonte de HiPIMS-DOMS foram pouco pronunciadas apesar de ser possível observar o seu efeito. Um maior valor da tensão de carga (DC) leva a uma estrutura mais densa, com rugosidades inferiores, sendo que as alterações ao nível da dureza mostraram um aumento da mesma com o aumento do DC.

The development of this work arose as a preparation for a future project of CEMUC that consists in the production of DLC thin films for piston rings of high compression internal combustion engines deposited by HiPIMS in DOMS mode. The objective of this work is to study the influence of certain deposition parameters in the samples, in order to obtain a guideline to follow in the project. The thickness variation showed that it has a great influence on the microstructure of the films. Higher thicknesses led to lower densities and an increment of the surface roughness of the films, being the minimum value of the roughness 1,07nm for a thickness of about 340nm. It also showed that the best values of the hardness of the films is obtained with a specific value of thickness, being the highest hardness of 23GPa for a thickness of about 650nm. The use of a -50V BIAS voltage as result in a clear improvement of the mechanical proprieties of the films and a decrease of the superficial roughness. However, the use of a higher voltage of BIAS has result in a total detachment of the film due to the poor adhesion. The mechanical proprieties of the films deposited with the use of BIAS suggest that the DOMS discharge generates a higher number of carbon ions that a HiPIMS discharge. This result can be related with the higher deposition voltage in DOMS or with the generation of carbon ions during the micro-arcs that occur in the target surface during deposition. The changes made by the variation of the DC value of the HiPIMS-DOMS source were slightly notable despite it was possible to notice their effect. A higher DC led to a denser structure, with lower roughness, and higher values of hardness.